This paper presents theoretical and experimental evaluation of the structural health monitoring (SHM) capability of piezoelectric wafer active sensors (PWAS) at elevated temperatures. This is important because the technologies for structural sensing and monitoring need to account for the thermal effect and compensate for it. Permanently installed PWAS transducers have been One of the extensively employed sensor technologies for in-situ continuous SHM. In this paper, the electro-mechanical impedance spectroscopy (EMIS) method has been utilized as a dynamic descriptor of PWAS behavior and as a high frequency standing wave local modal technique. Another SHM technology utilizes PWAS as far-field transient transducers to excite and detect guided waves propagating through the structure. This paper first presents how the EMIS method is used to qualify and quantify circular PWAS resonators in an increasing temperature environment up to 230 deg C. The piezoelectric material degradation with temperature was investigated and trends of variation with temperature were deduced from experimental measurements. These effects were introduced in a wave propagation simulation software called Wave Form Revealer (WFR). The thermal effects on the substrate material were also considered. Thus, the changes in the propagating guided wave signal at various temperatures could be simulated. The paper ends with summary and conclusions followed by suggestions for further work.
The 0.8Ba($Zn_{1/3}Ta_{2/3})O_3$-0.2Ba($Co_{1/3}Nb_{2/3})O_3$ ceramics were prepared by conventional mixed oxide method. The structural properties of the 0.8BZT-0.2BCN ceramics with the sintering temperature were investigated by XRD and SEM. The 0.8BZT-0.2BCN ceramics had a superstructure reflection plane of (100), (200). Increasing the sintering temperature. the ordering parameter of B-site atoms were increased. The lattice constant of 0.8BZT-0.2BCN ceramics was 3.97${\AA}$. Increasing the sintering temperature, the average gram sizes were increased. In the case of the 0.8BZT-0.2BCN ceramics sintered at 1500$^{\circ}C$, the average grain size and bulk density were 1.56${\mu}m$, 6.93$g/cm^3$, respectively.
We investigated the particularity of temperature and composition changes in $xNa_2O{\cdot}(52.5-x)B_2O_3{\cdot}47.5SiO_2$ glasses by use of FT-IR, $^{11}B$ NMR, Raman spectrometer. From FT-IR and $^{11}B$ NMR spectrometer, we thought that tetrahedral boron, $BO_4$ units are created $N_4$ increasing tendency generated near $600^{\circ}C$. It's expected that composition ana heat treatment directly contributed to structural changes, this changes are following to $Na_2O$ increasing or decreasing. caused by $N_4\;and\;BO_4$ units are caused by relatively increasing or decreasing in the glasses' structure. Particularly, $BO_4$ units are converted to $BO_3$ units after $600^{\circ}C$ heat treatment for 50h in the composition of $x<18(R<0.5,\;R=Na_2O/B_2O_3\;mol\%)$. On the order hand, $BO_3$ units are converted to, $BO_4$ units after $600^{\circ}C$ heat treatment for 50h in the composition of $x{\geq}18\;(R>0.5)$. This particularity of composition and temperature dependence of structural changes are similarly represented by Raman analysis results.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2013.08a
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pp.190.2-190.2
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2013
Vanadium dioxide ($VO_2$) has been widely attracted for academic research and industrial applications due to its metal-insulator transition (MIT) temperature close to room temperature. We synthesized VOx film on (0001) sapphire substrate with vanadium target (purity: 99.9%) using DC magnetron sputtering in Ar ambience at a pressure of $10^{-3}$ Torr at $400{\sim}700^{\circ}C$. The VOx film subsequently was annealed at difference temperatures in ambience of Ar and $O_2$ gas mixture at $60{\sim}800^{\circ}C$. The structural properties of the films were investigated using scanning electron microscopic (SEM), x-ray diffraction (XRD) and x-ray absorption fine structure (XAFS) measurements. SEM reveal that small grains formed on the substrates with a roughness surface. XRD shows oriented $VO_2$(020) crystals was deposited on the $Al_2O_3$(006) substrate. From I-V measurements, the electric resistance near its MIT temperature were dramatically changed by ${\sim}10^4$ during heating and cooling the films. We will also discuss the temperature-dependent local structural changes around vanadium atoms using XAFS measurements.
In this study, an experimental study is performed to understand the effect of spalling on the structural behavior of fire damaged steel reinforced high strength concrete (SRHSC) columns, and the test results of temperature distributions and the displacements at elevated temperature are analyzed. Toward this goal, three long columns are tested to investigate the effect of various test parameters on structural behavior during the fire, and twelve short columns are tested to investigate residual strength and stiffness after the fire. The test parameters are mixture ratios of polypropylene fiber (0 and 0.1 vol.%), magnitudes of applied loads (concentric loads and eccentric loads), and the time period of exposure to fire (0, 30, 60 and 90 minutes). The experimental results show that there is significant effect of loading on the structural behaviors of columns under fire. The loaded concrete columns result more explosive spalling than the unloaded columns under fire. In particular, eccentrically loaded columns are severely spalled. The temperature distributions of the concrete are not affected by the loading state if there is no spalling. However, the loading state affects the temperature distributions when there is spalling occurred. In addition, it is found that polypropylene fiber prevents spalling of both loaded and unloaded columns under fire. From these experimental findings, an equation of predicting residual load capacity of the fire damaged column is proposed.
Ki, Min Suk;Park, Beom Jin;Lee, Kangsu;Park, Byoungjae;Fernandez, Kyle;Nho, In Sik
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.35
no.1
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pp.59-74
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2021
To validate the fire safety assessment of structures, many structural experiments under fire load have been conducted. However, most of these experiments were conducted in restricted environments, such as inside a furnace, and experiments were seldom carried out in open space. In this study, an experimental study on H-beams, frequently used as structural reinforcements, was carried out for validating the thermal-structural analysis method under development. A 1.8 MW burner fire was adopted with each end of the H-beam fixed without a mechanical load. Gas temperature, steel surface temperature, and displacements were then measured. During the experiment, gas and steel temperatures were obtained at 9 and 17 points near the H-beam, respectively. In addition, the vertical and horizontal displacements of the H-beam under fire load at 6 points were obtained. Furthermore, it was verified that the stable displacement measurements via the contact and non-contact methods were feasible in harsh environments where flames and smoke were both present.
The thermal eigenvalue responses of the graded sandwich shell structure are evaluated numerically under the variable thermal loadings considering the temperature-dependent properties. The polynomial type rule-based sandwich panel model is derived using higher-order type kinematics considering the shear deformation in the framework of the equivalent single-layer theory. The frequency values are computed through an own home-made computer code (MATLAB environment) prepared using the finite element type higher-order formulation. The sandwich face-sheets and the metal core are discretized via isoparametric quadrilateral Lagrangian element. The model convergence is checked by solving the similar type published numerical examples in the open domain and extended for the comparison of natural frequencies to have the final confirmation of the model accuracy. Also, the influence of each variable structural parameter, i.e. the curvature ratios, core-face thickness ratios, end-support conditions, the power-law indices and sandwich types (symmetrical and unsymmetrical) on the thermal frequencies of FG sandwich curved shell panel model. The solutions are helping to bring out the necessary influence of one or more parameters on the frequencies. The effects of individual and the combined parameters as well as the temperature profiles (uniform, linear and nonlinear) are examined through several numerical examples, which affect the structural strength/stiffness values. The present study may help in designing the future graded structures which are under the influence of the variable temperature loading.
The eight-node 3D solid element is one of the most extensively used elements in computational mechanics. This is due to its simple shape and easy of discretization. However, due to the parasitic shear locking, it should not be used to simulate the behaviour of structural members in bending dominant conditions. Previous researches have indicated that the introduction of incompatible mode into the displacement field of the solid element could significantly reduce the shear locking phenomenon. In this study, an incompatible mode eight-node solid element, which considers both geometric and material nonlinearities, is developed for modelling of structural members at elevated temperatures. An algorithm is developed to extend the state determination procedure at ambient temperature to elevated temperatures overcoming initially converged stress locking when the external load is kept constant. Numerical studies show that this incompatible element is superior in terms of convergence, mesh insensitivity and reducing shear locking. It is also showed that the solid element model developed in this paper can be used to model structural behaviour at both ambient and elevated temperatures.
Sasmal, Saptarshi;Ramanjaneyulu, K.;Srinivas, V.;Gopalakrishnan, S.
Structural Engineering and Mechanics
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v.17
no.2
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pp.245-266
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2004
Incremental launching method is one of the highly competitive techniques for construction of concrete bridges. It avoids costly and time consuming form work and centralizes all construction activities in a small casting yard, thus saving in cost and time against conventional bridge construction. From the quality point of view, it eliminates the uncertainty of monolithic behaviour by allowing high repetitiveness and industrial environment. But, from analysis and design point of view, the most characteristic aspect of incrementally launched bridges is that, it has to absorb the stresses associated with the temporary supports that are gradually taken on by the deck during its launch. So, it is necessary to analyse the structure for each step of launching which is a tedious and time consuming process. Effect of support settlements or temperature variation makes the problem more complex. By using transfer matrix method, this problem can be handled efficiently with minimal computational effort. This paper gives insight into method of analysis, formulation for optimization of the structural system, effect of support settlement and temperature gradient, during construction, on the stress state of incrementally launched bridges.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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